La densification extrême des cartes électroniques, couplée à une compacité toujours plus accrue entraîne des contraintes thermiques exacerbées, ceci constitue un verrou technologique à l’évolution des systèmes électroniques.Ce document traite de la modélisation thermique des composants électroniques, et de leur interaction avec des systèmes électroniques en général.Dans une première partie, le concept de modèles compacts, qui est une représentation partielle d’un composant électronique qui s’affranchit de sa géométrie, est abordé. Les différents concepts de modèles numériques sont expliqués et comparés en fonction de leur niveau de précision par rapport à une représentation détaillée d’un composant électronique.Dans une deuxième partie, la modélisation analytique des composants électroniques est développée, pour les composants mono-puces puis multi-puces. Le modèle analytique établi est basé sur la résolution 3-D de l’équation de la chaleur par les séries de Fourier dans un domaine multi-couche et avec des sources de chaleur volumique. Le modèle analytique est également comparé à une modélisation numérique dans le but de quantifier l’avantage de ce type de modélisation.Le concept de modèles compacts temporels est validé expérimentalement dans la troisième partie de ce document. Les modèles compacts explicités dans la première partie sont confrontés à des essais expérimentaux en régime transitoire. Ces essais démontrent que les modèles compacts temporels permettent d’obtenir un écart de température inférieur à 10%, ceci quelle que soit la configuration des véhicules de test thermique.Une quatrième partie s’attache sur un nouveau concept de modèles simplifiés dans le cas où la géométrie des composants électroniques n’est pas connue. Ce type de modélisation se base sur le modèle analytique de la seconde partie. Il est démontré que celui permet d’obtenir un écart inférieur à 10% avec le modèle numérique détaillé, quel que soit le niveau de complexité du composant.Enfin, la dernière partie aborde la potentielle utilisation des modèles compacts développés pour améliorer la conception d’une carte électronique industrielle. Pour cela, la modélisation compacte de cartes électroniques avec composants enterrés a été explorée. Cette approche s’appuie sur le développement analytique effectuée dans la seconde partie des travaux exposés avec pour objectif d’accentuer la capacité à modéliser les cartes possédant de multiples couches. Une méthode intelligente de calcul des diverses couches d’une la carte électronique a été établie. Celle-ci offre la possibilité d’explorer rapidement diverses options d’une conception tout en préservant un niveau de précision important. / The extreme densification of electronic boards, coupled with their size reduction leads to critical thermal stress, resulting in technology barriers to the evolution of electronic systems.This document is about the thermal modelling of electronic components, and their interaction with electronic systems in general.In the first chapter, the concept of compact models, which is a partial representation of an electronic component without its geometry complexity, is addressed. The different types of compact models are explained and discussed in function of their accuracy towards detailed models of electronic components.In a second chapter, the analytical modelling of electronic components is developed, for mono and multi chips packages. The analytical model is based on the resolution of 3-D heat equation by the use of Fourier series for multi-layer domain and volumetric heat sources. The analytical model is therefore compared to numerical models with the goal to quantify the cons and pros of this representation.The concept of dynamical compact models is validated experimentally in a third chapter. The compact models of first chapter are confronted to experimental data in dynamic state. This comparison shows that the developed dynamical compact models have a deviation lower than 10% with experimental results, whatever the configuration of the thermal test vehicles.A fourth chapter introduces a new concept of simplified models, in the case of a lack of information about the geometry of electronic components. This new modelling concept is based on the analytical development of second chapter. It is shown that a discrepancy of less than 10% with detailed numerical models can be achieved, whatever the complexity level of electronic components.Finally, the last chapter deals with a potential way to exploit the developed thermal models for performing industrial board design. Thus, the compact modelling of electronic multilayer boards with buried components in its core layers is investigated.This approach is based on the analytical model of second chapter in order to deal with thin multi-layer electronic boards. A concept of a smart decomposition of the board layers is introduced, which allows a fast design exploration while preserving a high accuracy level.

La thèse porte sur la caractérisation des transferts thermiques dans les milieux fluide-particules, notamment en proposant un modèle décrivant le changement de phase au sein de particules sous écoulement fluide. Les transferts thermiques sont modélisés en prenant en compte l'influence de la résistance aux transferts externes (échanges avec le fluide) et internes (conduction à travers la particule et sa paroi, convection naturelle dans la phase liquide de la particule, changement de phase) à la particule. Les échanges externes avec le fluide sont pris en compte à l’aide de corrélations liant un nombre de Nusselt externe aux nombres de Reynolds et de Prandtl. La conduction interne est décrite à l’aide de solutions analytiques. L’effet de la convection naturelle a été étudié sur une particule isolée soumise à un gradient de température sous différents nombres de Rayleigh et de Prandtl permettant son déclenchement. Les résultats obtenus ont permis d’établir une corrélation reliant un nombre de Nusselt interne aux nombres de Prandtl et Rayleigh de la particule. Cette corrélation permet de recalculer l’évolution temporelle de la température moyenne de la particule en prenant en compte l’effet de la convection naturelle. Le changement de phase est décrit grâce à un modèle local basé sur l’approche « Phase Field » moyenné sur l’ensemble de la particule et validé par comparaison avec des résultats numériques et expérimentaux issus de la littérature. Enfin, le modèle complet et l’influence des phénomènes pris en compte sont testés sur un lit fixe de particules à l’échelle moyennée (Discrete Element Method–Computional Fluids Dynamics). La conduction et la convection interne donnent une quantité totale d’énergie stockée relativement similaire dans le lit à nombre de Biot égal, mais dont la distribution est différente. Le changement de phase tend à grandement densifier le stockage. Une augmentation du nombre de Biot tend à augmenter la quantité d’énergie stockée. Enfin, il est montré que les transferts sont dépendants de la distribution de porosité. / This work intends to characterize heat transfer in fluid-particle flows, specifically when phase change occurs inside the particles. The proposed model takes into account the external heat resistance (heat transfer at the particle-fluid interface) and the internal heat resistance (conduction inside and at the wall of the particle, natural convection in the liquid phase of the particle, phase change). External transfer with the surrounding fluid is described by correlations linking an external Nusselt number to Reynolds and Prandtl numbers related to the surrounding fluid. Internal conduction is calculated thanks to analytical solutions. The influence of natural convection was studied on an isolated sphere for different combinations of Rayleigh and Prandtl numbers. A correlation between an internal Nusselt number, and particle Rayleigh and Prandtl numbers was established using these simulations. This correlation allows calculating the transient evolution of the average temperature of the particle when natural convection occurs. Phase change is taken into account by a Phase Field model averaged over the particle and validated by comparison with experimental and numerical studies from the literature. Finally, the whole model and the effects of the different phenomena it describes are tested on a fixed bed of particles at mesoscopic scale using a Discrete Element Method–Computional Fluids Dynamics (DEM-CFD) model. Internal conduction and natural convection gives similar quantities of total energy stored for the same Biot number, however heat transfer distribution is modified. Phase change greatly reduces the volume of storage. Increasing the Biot number leads to a greater amount of energy stored. Finally, heat transfer greatly depends on porosity distribution.

Le concentrateur à réflecteur linéaire de Fresnel (LFR) est une technologie solaire thermodynamique en plein essor : petites applications industrielles (chaleur, froid, électricité) à centrales électriques (10-100 MWel). Ce travail de thèse établit un modèle global du procédé solaire, en régime permanent, pour un prédimensionnement du système. Le modèle comprend trois parties chaînées : (i) les transferts radiatifs dans le concentrateur optique, modélisés précisément par une méthode de Monte Carlo (environnement EDStar) ; (ii) les transferts thermiques dans le récepteur, évalués analytiquement (puissances, températures) ; (iii) le cycle thermodynamique, avec Thermoptim. L’application étudiée couple un concentrateur LFR à un moteur Ericsson. L’air est fluide caloporteur et de travail. Un prototype est en construction. L’hybridation et le stockage thermique sont des options clés. Un modèle systémique permettrait d’optimiser l’opération du procédé, en étudiant son comportement dynamique. / Linear Fresnel Reflector (LFR) is a promising Concentrating Solar Power technology. Research is booming and industrial applications are emerging. Applications range from small production units (heat, cold, electricity) to utility scale power plants (several tenths of MW). This PhD work establishes a global model of the solar process, in order to improve our knowledge of the system’s performances. It is a static model suited for a pre-design of the system. The model is chaining three parts. Radiative heat transfer in the optical concentrator is modelled by Monte Carlo statistical Method. The algorithm enables a detailed study of any geometrical configuration, especially through absorbed power flux maps on the receiver. The simulation tool is using the environment of development EDStar. The thermal model calculates analytically the useful thermal power, losses and temperature profiles along the receiver (glass cover, fluid, pipe...). The thermodynamic cycle is simulated analytically using the software Thermoptim. The studied application uses air as heat transfer and working fluid. Air directly feeds an Ericsson engine. The engine developed by LaTEP laboratory is promising for small scale cogeneration (1 to several tenths of kWel). The prototype Linear Fresnel Reflector built in Ecole des Mines d’Albi will enable experimental study of a solar process coupling an LFR concentrator and an Ericsson engine. The technology under study can feed a power plant or a cogeneration system in the industry, producing electricity and heat at 100 to 250°C. Hybridisation with an other energy source (biomass, gas...) and thermal storage (molten salt?) are key features to investigate. To optimise the operating strategy of the process, dynamic behaviour must be studied: a systemic or agent based model is a very relevant approach.

L’utilisation de fluides non vaporisables tels que les gaz pour tremper différentes pièces d’acier rend possible, avec les outils numériques actuels, la simulation de l’ensemble des phénomènes physiques mis en jeu dans ce traitement thermique et ainsi de prédire les comportements thermique, métallurgique et mécanique des pièces. Plusieurs auteurs s’intéressent à la construction de ce type de modèles dont les enjeux sont de promouvoir l’utilisation de la trempe gazeuse haute pression, en cherchant à remplacer les trempes à l’huile plus polluantes et/ou à maîtriser les déformations pendant ou après la trempe. Lors de notre travail, un modèle décrivant ces phénomènes physiques, de l’écoulement gazeux aux déformations, et leurs couplages a été construit par étapes en couplant les deux codes de calcul commerciaux Fluent et Sysweld. Les résultats de simulations ont ensuite été confrontés à des mesures de vitesses d’écoulements de gaz (par PIV), de températures et de déformations in situ (détection de contours). Malgré quelques écarts dont les origines ont été analysées, la comparaison a révélé une très bonne concordance des résultats de calculs et expérimentaux, validant ainsi la démarche de calcul. Le modèle pourrait maintenant être testé pour des refroidissements plus rapides que ceux considérés mais son utilisation pour des applications industrielles (pièces de géométrie plus complexe, refroidissement de charges entières, …) peut d’ores et déjà être envisagée avec confiance / The use of non vaporizable fluids such as gas to quench steel bodies makes the simulation of all the coupled physical phenomena involved in this heat treatment possible thanks to current numerical simulation tools. It gives access to the prediction of thermal, metallurgical and mechanical behaviour of steel pieces during quenching operation. Several authors have tried and build such kind of models in order to promote gas quenching use either by trying to replace less environmental friendly oil treatments or by trying to control distortions during or after quenching. In our work a model describing the physical coupled phenomena, from gas flow to distortion has been built step by step by coupling both commercial numerical codes Fluent and Sysweld. Simulation results have then been compared to gas flow velocities measurements (by PIV), temperature measurements and in situ distortions measurements (contour’s detection method). This confrontation revealed a very good agreement between calculated and experimental data despite some slight differences, which have been analysed in detail. This validated the calculation method used in the model. One of the perspectives of this work could be the validation of the model for higher quenching rate. However, some industrial applications (tridimensional more complex bodies quenching simulation, quenching of full loads, …) can be run from now on with confidence

Cette thèse porte sur l’étude et l’optimisation aérothermique d’un alterno-démarreur utilisé dans les véhicules hybrides. Ces machines produisant beaucoup plus de puissance qu’un alternateur classique, leur refroidissement est donc critique. La machine est modélisée en utilisant la méthode nodale en régime permanent qui utilise des réseaux de conductances thermiques. Pour alimenter le modèle, on utilise des corrélations issues de la littérature pour modéliser les transferts convectifs et on effectue des calculs CFD de la machine complète pour obtenir la répartition des débits. Les résultats obtenus numériquement sont ensuite validés expérimentalement à l’aide d’essais par Vélocimétrie par Images de Particules et d’essais thermiques par mesure thermocouples. Dans un deuxième temps, on couple un algorithme d’optimisation au code pour obtenir une géométrie de la machine optimale d’un point de vue thermique. La méthode retenue est l’Optimisation par Essaim Particulaire (PSO). L’optimisation se fait sur la taille des têtes de bobines, la position des ventilateurs et la section des canaux rotoriques. On obtient des géométries différentes selon les objectifs que l’on cherche à atteindre. La dernière partie de la thèse porte sur l’optimisation multi-objectifs d’un dissipateur située sur la partie électronique à l’arrière de l’alternateur : le dissipateur doit refroidir le plus possible l’électronique sans pour autant perturber l’écoulement. On étudie aussi plusieurs formes d’ailettes pour atteindre ces objectifs. / The goal of this thesis is the aero-thermal study and optimization of a starter-alternator used in hybrid cars. This kind of machines being more powerful than a regular alternator, their cooling is critical. The machine is modeled using lumped method in steady state which uses networks of thermal conductances. The inputs for the model are obtained using correlations from bibliography for the convective heat transfers and three dimensional CFD for the flow rates inside the machine. The numerical results are validated by experimental results with PIV for the fluid results and a machine fitted with thermocouples for the thermal part. In the second part, the thermal code is coupled with an optimization algorithm to obtain an optimal geometry of the machine from a thermal point of view. The method chosen is Particle Swarm Optimization (PSO). The parameters are the sizes of the end-windings, the positions of the fans and the cross section of the rotor channels. For different objectives, different optimal geometries are obtained. The last part of this work aims at the multi-objectives optimization of a heat sink located at the back of the machine. The heat sink has to be thermally efficient but should not affect the flow. Different shapes of fins are also studied.

Au cours des dernières décennies, on observe dans les stocks d’eaux-de-vie une minimisation des défauts mais également une raréfaction des eaux-de-vie d’exception. Le vieillissement sous bois est une étape discriminante quant à la qualité finale du produit. L’étude a pour but de mettre en relation les différentes échelles de description disponibles tant d’un point de vue expérimental que numérique pour ensuite disposer d’une boîte à outils, qualifiant un chai, qui s’enrichira au cours du temps. La clé d’entrée est le climat dans le chai. Une analyse des caractéristiques physiques du bois utilisé et de sa modification lors de la fabrication des barriques permet de mieux appréhender les échanges d’oxygène à travers les différentes zones de la barrique pendant la phase de vieillissement. Un laboratoire est mis en place afin de suivre les conditions climatiques et les propriétés thermo physiques et chimiques des barriques. Les acquis expérimentaux permettront alors de valider les outils de simulations qui seront développés en parallèle. Les outils de simulations, en particulier à l’échelle du chai, seront ensuite confrontés aux données expérimentales issues de l’instrumentation d’un chai réel. La pertinence des effets liés au comportement climatique à l’intérieur des chais sur la qualité de l’eau de vie sera évaluée grâce à l’expertise du comité de dégustation. / Because of the various steps of the process, cognacs reveal highly distinctive organoleptic properties. Nevertheless, over the past decades, the tasting committee has noticed a slight trend towards standardisation of eaux-de-vie. The reasons for this evolution are most certainly multifactorial. The Maison Hennessy wants to understand the transformations occurring during the process of elaboration of Cognac, and particularly during the aging process which is a critical stage regarding the final quality of the product. In particular, the development of construction techniques and the size of the cellars is likely to influence the quality of the “eaux-de-vie”. In this study we built a toolbox modelling a Cognac cellar and its evolution over time. The model was developed to link multiple variables both computational and based on experimental data. On the experimental side, a laboratory was built in order to control the climatic conditions and the characteristics of the barrels. The experiments highlighted that the physico-chemical behaviour is linked to the temperature and the dimensions of casks. These lab-scale observations were further validated in an industrial scale pilot setting. The qualitative validation of the climatic conditions inside the cellar on the quality of the eaux-de-vie is performed by the testing committee. On the computational side, modelling was conducted first to estimate the mass transfers at the stave scale and then to simulate the heat transfers at the barrel or cellar scales. The convective effects appeared highly influential on the thermal dynamic of the liquid and the air in the building. The experimental data enabled the validation of the modelling tools at different scales.

Dans le cadre de la problématique du refroidissement des déchets radioactifs, ce travail a pour objectifs l'étude de l'écoulement autour d'un cylindre chauffant monté en paroi soumis à un écoulement transverse selon l'approche URANS. Les limitations bien connues de la modélisation au premier ordre conduisent à considérer une approche au deuxième ordre. C'est dans ce sens qu'un modèle d'échange thermique est développé puis validé sur des cas académiques.<br>Dans un premier temps, lorsque le régime de convection mixte est dominant, ces calculs, réalisés par le modèle bas-Reynolds k-w SST, et complétés par un calcul isotherme, mettent en évidence de nombreuses structures tourbillonnaires recensées par la bibliographie. Un calcul avec le modèle haut-Reynolds Rij-epsilon SSG est aussi effectué. Avec le modèle k-w SST, l'échange thermique est convenablement reproduit par rapport à l'expérience VALIDA, conduite par le CEA, alors qu'avec le modèle Rij-epsilon SSG celui-ci est fortement sous-estimé, certainement en raison de l'utilisation de lois de paroi. <br>Dans un second temps, lorsque la convection naturelle est prépondérante, la topologie des écoulements est alors complètement différente et le transfert thermique est bien moins fidèle à l'expérience VALIDA.<br>Le modèle à pondération elliptique EBRSM, issu de l'approche de Durbin, consiste en la prise en compte des effets de paroi, et en particulier le blocage à la paroi. D'après ce formalisme, un modèle algébrique des flux thermiques avec pondération elliptique est développé, l'EBAFM. Avec ce modèle, des tests a priori dans les trois régimes de convection puis les simulations sur les mêmes cas montrent une nette amélioration dans la prédiction des différents écoulements faisant place à une perspective intéressante d'un modèle intermédiaire entre une formulation SGDH et des équations de transport.

Dans le cadre de la problématique du refroidissement des déchets radioactifs, ce travail a pour objectifs l'étude de l'écoulement autour d'un cylindre chauffant monté en paroi soumis à un écoulement transverse selon l'approche URANS. Les limitations bien connues de la modélisation au premier ordre conduisent à considérer une approche au deuxième ordre. C'est dans ce sens qu'un modèle d'échange thermique est développé puis validé sur des cas académiques. <br /><br />Dans un premier temps, lorsque le régime de convection mixte est dominant, ces calculs, réalisés par le modèle bas-Reynolds ßt, et complétés par un calcul isotherme, mettent en évidence de nombreuses structures tourbillonnaires recensées par la bibliographie. Un calcul avec le modèle haut-Reynolds Rij-epsilon SSG est aussi effectué. Avec le modèle k-w SST, l'échange thermique est convenablement reproduit par rapport à l'expérience VALIDA, conduite par le CEA, alors qu'avec le modèle Rij-epsilon SSG celui-ci est fortement sous-estimé, certainement en raison de l'utilisation de lois de paroi. <br /><br />Dans un second temps, lorsque la convection naturelle est prépondérante, la topologie des écoulements est alors complètement différente et le transfert thermique est bien moins fidèle à l'expérience VALIDA.<br /><br />Le modèle à pondération elliptique EB-RSM, issu de l'approche de Durbin, consiste en la prise en compte des effets de paroi, et en particulier le blocage à la paroi. D'après ce formalisme, un modèle algébrique des flux thermiques avec pondération elliptique est développé, l'EB-AFM. Avec ce modèle, des tests a priori dans les trois régimes de convection puis les simulations sur les mêmes cas montrent une nette amélioration dans la prédiction des différents écoulements faisant place à une perspective intéressante d'un modèle intermédiaire entre une formulation SGDH et des équations de transport.

Le procédé Resin Transfer Molding est une technologie de fabrication de pièces en matériaux composites. Une compréhension et une modélisation des phénomènes physiques qui interviennent dans certaines étapes de la fabrication apportent une contribution importante à la maîtrise de ce procédé. Les travaux abordés dans cette étude se situent dans le cadre d'un programme plus général visant le contrôle et le pilotage du RTM. Tout d'abord, une caractérisation de la perméabilité des renforts dans la direction perpendiculaire aux plis va compléter les résultats obtenus dans des études préalables sur les perméabilités planes. Ensuite, nous étudierons de près les transferts thermiques durant l'injection et la cuisson. Pour cela, plusieurs étapes sont nécessaires: caractérisation des propriétés thermiques (avec notamment le développement d'un montage destiné à mesurer les conductivités thermiques dans le plan des fibres), étude théorique et étude expérimentale à l'aide d'un moule instrumenté. Des simulations numériques permettront alors de valider les modèles développés. Ces travaux devront ensuite servir de base à l'amélioration du logiciel de simulation LCMFLOT. Enfin, une première étape vers l'optimisation du remplissage a été réalisée afin de pouvoir piloter les machines d'injection en imposant une vitesse d'imprégnation constante pendant le remplissage. Cette optimisation est basée sur l'exploitation des résultats de simulation.

Depuis plus de vingt ans, le besoin en numérisation 3D de pièces industrielles augmente considérablement. Par conséquent, un grand nombre de techniques expérimentales ont été proposées ainsi que quelques solutions commerciales. Cependant, des difficultés subsistent pour l'acquisition de surfaces optiquement non coopératives, comme les surfaces transparentes et/ou spéculaires. En effet, la transmission ou réflexion spéculaire de la lumière va à l'encontre du fonctionnement des systèmes conventionnels d'acquisition 3D, qui repose sur l'acquisition de la partie diffuse de la réflexion. Afin d'aborder la problématique de numérisation 3D des surfaces métalliques fortement réfléchissantes, nous proposons l'extension d'une technique non conventionnelle, initialement dédiée aux objets en verre et appelée " Scanning from Heating ". Cette technique diffère des approches classiques de triangulation active par la mesure de l'émission thermique de la surface plutôt que de la réflexion du rayonnement visible. Une source laser est géométriquement calibrée avec un capteur infrarouge pour extraire le nuage de points 3D des images thermiques. En nous appuyant sur les propriétés thermo-physiques des métaux, nous présentons un modèle théorique des échanges thermiques mis en jeu par la technique, permettant de démontrer la faisabilité sur les matériaux métalliques. Grâce à un outil de simulation par éléments finis, les résultats apportent des indications essentielles pour le développement d'une solution expérimentale et le réglage de celle-ci. Un premier dispositif expérimental a été mis en œuvre afin de valider le processus de numérisation 3D sur des surfaces spéculaires, de géométries et de compositions variées. Par ailleurs, une comparaison de nos résultats de numérisation avec ceux d'un système conventionnel permet de démontrer la polyvalence de notre technique. En effet, à partir d'un panel d'échantillons de géométries identiques mais d'états de surface différents, nous mettons en évidence que les performances d'acquisition 3D ne sont pas influencées par la rugosité de la surface. Enfin, en se basant sur des observations empiriques, un prototype de numérisation 3D est développé afin d'apporter des améliorations conséquentes par rapport au système initial